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Einrichtung zum Belüften von elektrischen Maschinen.
Turbogeneratoren von relativ geringer Leistung können ohne Schwierigkeit mit Eigenbelüftung gebaut werden, da die eingebauten Lüfter sowohl den notwendigen Druck als auch die zu ihrer Kühlung erforderliche Luftmenge liefern.
Dagegen war es bisher nicht möglich, oberhalb einer bestimmten Leistungsgrenze noch Turbo- generatoren mit Eigenbelüftung zu bauen. Der für den Lufteintritt zwischen Welle und Lüfterschaufeln übrigbleibende nutzbare Raum reichte nicht aus, um eine einwandfreie Belüftung der Maschine zu ermöglichen, da der Durchmesser der Maschinenwelle aus Festigkeitsgründen nicht unter ein bestimmtes Mass herabgesetzt und der Durchmesser des Lüfterrades mit Rücksicht auf die Fliehkräfte nicht über ein gewisses Mass hinaus vergrössert werden konnte.
Man hat sich bekanntlich bisher damit geholfen, zur Belüftung von Turbogeneratoren grosser Leistung Fremdbelüftung in Gestalt getrennter motorbetriebener Lüftereinrichtungen vorzusehen.
Solche Einrichtungen haben aber verschiedene schwerwiegende Mängel. Einmal beanspruchen die getrennt aufgebauten Lüfteraggregate nicht unerheblichen Flächenraum in der Maschinenhalle, sodann muss eine getrennt angeordnete Belüftungseinrichtung mit einer keineswegs einfachen und überdies noch recht umfangreichen Überwachungseinrichtung ausgerüstet werden, damit jedes Anlaufen des Generators bei Nichtanlauf des Lüftungsmotors verhindert wird und'ein sofortiges Stillsetzen erfolgt, sobald die Belüftung infolge irgendeiner Störung aussetzt. Solche Störungen können vor allem dann besonders leicht auftreten, wenn der Antriebsmotor des Lüfters über einen Transformator oder von irgendeiner andern Stromquelle als dem Generator selbst gespeist wird.
Beim Betriebe von Turbogeneratoren, die sich mit ihrer Leistung der Leistungsgrenze näherten, über die hinaus Maschinen mit Eigenbelüftung bisher nicht gebaut werden konnten, hat man ausserdem festgestellt, dass Fliehkraftlüfter mit an den Stirnseiten des Läufers befestigten Lüfterschaufeln einen grösseren Durchmesser erhalten müssen, als mit Hinblick auf den angestrebten Wirkungsgrad richtig wäre, nur um den Raum rund um die Welle zu erhalten, der zum Eintritt der notwendigen Kühlluft erforderlich ist. Solche Lüfter arbeiten infolgedessen mit Wirkungsgraden, die Werte von 25-30% kaum übersteigen.
Getrennt aufgebaute Lüfteraggregate haben zwar einen Wirkungsgrad von 60-70%, doch sind ihre bereits geschilderten Mängel so schwerwiegend, dass sieh das Bedürfnis nach einer verbesserten und auch für Turbogeneratoren grosser Leistung geeigneten Eigenbelüftung immer stärker geltend machte.
Dieses Bedürfnis wird nach der vorliegenden Erfindung durch eine Belüftungseinrichtung befriedigt, bei der die Luft dem auf der Maschinenwelle sitzenden Lüfterrade von zwei Seiten aus zugeführt wird, u. zw. so, dass ein Teil der Luft um den Umfang des Lüfterrades herumgeleitet wird. Ein solcher Lüfter kann eine etwa doppelt so grosse Luftmenge aufnehmen, wie ein Lüfter von gleichem Radius, dem die Luft nur von einer Seite aus zugeführt werden kann. Die von dem Lüfterrad erfasste Luft verlässt dieses mit einer relativ hohen Geschwindigkeit. Sie soll nun vor ihrem Eintritt in das Maschinengehäuse in einen das Lüfterrad umgebenden Diffusor getrieben werden, dessen Schaufeln so geformt sind, dass die Luft darin auf eine niedere Geschwindigkeit expandiert.
Daraus ergibt sich unmittelbar hinter dem Diffusor ein erheblicher Druck, der ein grösseres Druckgefälle in der Maschine erzeugt, als ohne die Diffusorwirkung vorhanden sein würde und der dadurch eine ganz wesentliche Verbesserung der Kühlluftförderung verursacht. Der Diffusor steigert den Wirkungsgrad des Lüfters von ungefähr 37 auf 50%.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung sei auf die bildlich Darstellung verwiesen. Die Fig. 1 zeigt das perspektivische Bild der Stirnseite eines Turbogenerators mit halb abgenommenem Endsehild.
Die Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansieht des Diffusors. Die Fig. 3 zeigt die Abschlusswand des Lüfters gegen das Maschineninnere.
In der Fig. 1 ist ein Turbogenerator mit dem Ständer 5 und einem auf der Welle 7 sitzenden Läufer 6 dargestellt. Auf der Welle 7 ist das Lüfterrad 8, das aus einer Vollseheibe mit beiderseitig am Umfange
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zweckmässig aus zwei zusammensetzbaren Teilen gefertigt. Getragen wird der Diffusor von der Wandplatte 12, mit der er an seinem Umfange fest und dicht verschraubt ist. Auf der nach der Maschinenseite zu gelegenen Seite des Diffusors 10 ist die Wandplatte 13 befestigt, die den Lüfter gegen das Maschineninnere abschliesst (s. dazu auch Fig. 3). Zur Sicherung gegen Vibrationen ist sie ausserdem noch durch die Bolzen 14 mit dem Diffusor 10 verankert.
Die Wirkungsweise eines nach der Erfindung gebauten Lüfters gestaltet sieh nun folgendermassen :
Die Kühlluft tritt-wie aus der Fig. 1 hervorgeht-durch die Öffnung 15 von unten in die Maschine ein, u. zw. in einen Raum, der von der Abschlusswand 12, dem Diffusor 10 sowie dem Lüfterrade 8 einerseits und von dem äusseren Endschilde 16 anderseits gebildet wird.
Ein Teil dieser Luft tritt nunmehr unmittelbar in den vorderen Schaufelkranz des Lüfterrades 8 ein, u. zw. durch den Raum zwischen dem inneren Umfang der Sehaufelbleche und der Maschinenwelle 7, so wie es durch den Pfeil 17 angegeben ist. Die dergestalt von dem Lüfterrade aufgenommene Luft wird dann in quasiradialer Richtung durch die in der Fig. 2 besonders deutlich erkennbaren, zwischen den Schaufeln 11 hin durchführenden Kanäle 21 in das Innere der Maschine getrieben.
Der restliche Teil der Kühlluft tritt in axialer Richtung durch die als Holdselhaufeln ausgebildeten
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der Abschlusswand 1J und einer aus der Stirnwand des Läufers vorspringenden Endscheibe gebildet wird. Die Abschlusswand l", welche die Luftkammer M von dem Inneren der Maschine trennt, ist in der Fig. 3 besonders dargestellt.
Der grössere Teil der in diese hintere Luftkammer 18 übertretenden Luft wird nunmehr von dem hinteren Schaufelkranz des Schaufelrades 8 erfasst und von diesem gleichfalls in quasiradialer Richtung durch die Kanäle 21 des Diffusors in das Innere der Maschine getrieben.
Dabei vereinigen sich dann die von dem vorderen und dem hinteren Sehaufelkranz des Lüfterrades 8 bewegten Luftmengen zu einem einzigen Kühlluftstrom. Die Kühlluft expandiert dabei auf eine wesentlich geringere als die Eintrittsgeschwindigkeit. Infolge des dadurch hinter dem Diffusor 10 in der Maschine entstehenden Druckgefälles werden dann alle axialen und radialen Kühlwege des Ständers sowie der Luftspalt zwischen Ständer und Läufer ausgiebig bestrichen.
Ein kleiner Teil der in die hintere Luftkammer 18 einströmenden Kühlluft wird nicht von dem
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Kühlkanälen im Läufer ausgehenden Saugwirkung unmittelbar in die Luftkanäle des Läufers über, indem sie durch die Durchgangsöffnungen 19, welche in der aus der Stirnwand des Läufers heraustretenden und in den Luftraum 18 hineinragenden Endscheibe des Läufers eigens vorgesehen sind, in diese einströmt.
Bei den grossen Turbogeneratoren, bei denen zwei Lüfter der beschriebenen Art angeordnet sind, tritt die an den beiden Stirnseiten von den Lüftern aufgenommene Kühlluft durch eine in der Mitte der Maschinengrundplatte vorgesehene Öffnung als Warmluft wieder aus.
Die Vorteile der nach der Erfindung ausgeführten Eigenbelüftung grosser Maschinen sind technisch und wirtschaftlich gleich erheblieh. Es gelingt mit Hilfe der Doppellüfter, das erforderliche Kühlluft- volumen unter dem erforderlichen Druck in das Innere der Maschine einzubringen, bei relativ geringer Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft eine ausgiebige Kühlung der ganzen Maschine zu erreichen und dabei einen Wirkungsgrad zu erzielen, der als ungewöhnlich gut bezeichnet werden muss.
Selbstverständlich kann eine Belüftungseinrichtung gemäss der Erfindung auch bei andern als bei dynamo-elektrischen Maschinen angewendet werden, denn sie ist in jedem Falle verwendbar, wo die Vorzüge eines Lüfters mit doppeltem Lufteintritt erwünscht oder erforderlich sind, wo aber die Luftaufnahme nur von einer Seite aus erfolgen kann.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zum Belüften, insbesondere von elektrischen Maschinen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der dem Lüfter (8) einseitig zuströmenden Frischluft über den Umfang des Lüfterrades hinweg auf die gegenüberliegende Seite desselben geführt wird.
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Device for ventilating electrical machines.
Turbogenerators of relatively low power can be built with self-ventilation without difficulty, since the built-in fans provide both the necessary pressure and the amount of air required for their cooling.
In contrast, it was previously not possible to build turbo generators with self-ventilation above a certain performance limit. The usable space remaining for the air inlet between the shaft and the fan blades was not sufficient to enable the machine to be properly ventilated, as the diameter of the machine shaft was not reduced below a certain level for reasons of strength and the diameter of the fan wheel was not greater than that due to the centrifugal forces could be enlarged to a certain extent.
As is known, it has hitherto been helpful to provide external ventilation in the form of separate motor-operated fan devices for ventilating high-performance turbo-generators.
However, such facilities have several serious shortcomings. On the one hand, the separately constructed fan units take up a considerable amount of space in the machine hall, then a separately arranged ventilation device must be equipped with a monitoring device that is by no means simple and, moreover, quite extensive, so that any start-up of the generator if the ventilation motor does not start is prevented and an immediate shutdown takes place, as soon as the ventilation stops as a result of some malfunction. Such malfunctions can occur particularly easily when the drive motor of the fan is fed via a transformer or from some other power source than the generator itself.
In the operation of turbo-generators, the performance of which was approaching the performance limit beyond which machines with self-ventilation could not be built up to now, it was also found that centrifugal fans with fan blades attached to the front sides of the rotor must have a larger diameter than with regard to this to the desired efficiency would be correct just to get the space around the shaft that is required for the entry of the necessary cooling air. As a result, such fans work with efficiencies that hardly exceed values of 25-30%.
Separately built fan units have an efficiency of 60-70%, but their deficiencies, which have already been described, are so serious that the need for improved self-ventilation that is also suitable for high-performance turbo-generators has been increasingly asserted.
This need is satisfied according to the present invention by a ventilation device in which the air is supplied to the fan wheel seated on the machine shaft from two sides, u. zw. so that part of the air is directed around the circumference of the fan wheel. Such a fan can take in an amount of air that is about twice as large as a fan of the same radius, to which the air can only be fed from one side. The air captured by the fan wheel leaves it at a relatively high speed. Before it enters the machine housing, it should now be driven into a diffuser surrounding the fan wheel, the blades of which are shaped in such a way that the air therein expands to a low speed.
This results in a considerable pressure immediately behind the diffuser, which creates a greater pressure gradient in the machine than would exist without the diffuser effect and which thereby causes a very significant improvement in the cooling air delivery. The diffuser increases the efficiency of the fan from about 37 to 50%.
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For a better understanding of the invention, reference is made to the illustration. Fig. 1 shows the perspective image of the end face of a turbo generator with the end shield half removed.
Fig. 2 shows a perspective view of the diffuser. 3 shows the end wall of the fan facing the inside of the machine.
In FIG. 1, a turbo generator with the stator 5 and a rotor 6 seated on the shaft 7 is shown. On the shaft 7 is the fan wheel 8, which consists of a solid disk with both sides on the circumference
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conveniently made of two composable parts. The diffuser is carried by the wall plate 12 to which it is screwed tightly and tightly around its periphery. On the side of the diffuser 10 facing the machine side, the wall plate 13 is fastened, which closes the fan off from the machine interior (see also FIG. 3). To protect against vibrations, it is also anchored to the diffuser 10 by the bolts 14.
The mode of operation of a fan built according to the invention is now designed as follows:
As can be seen from FIG. 1, the cooling air enters the machine through the opening 15 from below, u. between a space that is formed by the end wall 12, the diffuser 10 and the fan wheel 8 on the one hand and by the outer end shields 16 on the other.
Part of this air now enters the front blade ring of the fan wheel 8, u. between the space between the inner circumference of the blade plates and the machine shaft 7, as indicated by arrow 17. The air taken up in this way by the fan wheel is then driven into the interior of the machine in a quasi-radial direction through the ducts 21, which can be seen particularly clearly in FIG. 2 and which lead through between the blades 11.
The remaining part of the cooling air passes in the axial direction through the hold-down blades
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the end wall 1J and an end plate protruding from the end wall of the rotor is formed. The end wall 1 ″, which separates the air chamber M from the interior of the machine, is particularly shown in FIG.
The greater part of the air passing into this rear air chamber 18 is now captured by the rear blade ring of the impeller 8 and also driven by this in a quasi-radial direction through the channels 21 of the diffuser into the interior of the machine.
The air quantities moved by the front and the rear blade ring of the fan wheel 8 then combine to form a single cooling air flow. The cooling air expands to a significantly lower speed than the entry speed. As a result of the pressure drop thus created behind the diffuser 10 in the machine, all axial and radial cooling paths of the stator and the air gap between the stator and rotor are then extensively coated.
A small part of the cooling air flowing into the rear air chamber 18 is not affected by the
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The suction effect emanating from cooling ducts in the rotor is transferred directly into the air ducts of the rotor by flowing into the rotor through the passage openings 19 which are provided in the rotor end disk protruding from the end wall of the rotor and protruding into the air space 18.
In the large turbo generators, in which two fans of the type described are arranged, the cooling air taken up by the fans at the two end faces emerges again as warm air through an opening provided in the center of the machine base plate.
The advantages of the self-ventilation of large machines implemented according to the invention are technically and economically equally significant. With the help of the double fans it is possible to bring the required volume of cooling air into the interior of the machine under the required pressure, to achieve extensive cooling of the entire machine at a relatively low flow rate of the cooling air and to achieve an efficiency that is described as unusually good got to.
Of course, a ventilation device according to the invention can also be used in machines other than dynamo-electric machines, because it can be used in any case where the advantages of a fan with double air inlet are desired or necessary, but where air is only taken in from one side can.
PATENT CLAIMS:
1. A device for ventilation, in particular of electrical machines, characterized in that part of the fresh air flowing in on one side of the fan (8) is guided over the circumference of the fan wheel to the opposite side of the same.